全鋁微通道換熱器在空調(diào)中的應用

周子成

1 引言

近年來，雖然銅管鋁翅片的換熱器在空調(diào)中的應用仍是主流，但是由于銅材價格不斷上漲，制造商已經(jīng)開始尋求采用鋁管來降低成本。鋁管和鋁翅片冷凝器的應用已經(jīng)有10余年的歷史。20世紀70年代，美國GE公司和開利的子公司Bryant公司已經(jīng)在空調(diào)室外機中使用。然而，鋁管和銅連接管的現(xiàn)場焊接是一個難題，因而全鋁換熱器并未獲得廣泛應用。全鋁微通道換熱器改進的技術進步，使它在空調(diào)中獲得了新的應用，在2008年，Luvata和Delphi兩家公司開始商業(yè)化銷售微通道換熱器，開利和其他制造商開始在空調(diào)中采用它，現(xiàn)在，主要的日本汽車空調(diào)制造商如電裝(Denso),三電(Sanden)和我國制造商如三花、盾安等都批量生產(chǎn)全鋁微通道換熱器。三花丹佛斯在浙江杭州和美國密蘇里設有工廠，在2013年銷量增長50%。美國開利早期在屋頂機中采用微通道換熱器，近期開始應用于冷水機組。而約克、特靈、大金也已在美國市場的屋頂機標準產(chǎn)品中使用微通道換熱器。在日本，最早是柯羅那在一些Eco Cute熱泵熱水器中使用，2012年1月26日，大金推出了Zeas系列5HP熱泵空調(diào)系列使用全鋁微通道換熱器。室外機從原來的80kg降至59kg。2013年7月8日，三菱電機宣稱從2013年10月1日起，在Gran系列VRF多聯(lián)機中的15個機型室外機中采用扁平管換熱器。傳熱效率提高30%。8HP機的APF達到5.9，是業(yè)界最高的效率。

浙江三可熱交換系統(tǒng)有限公司設計開發(fā)的微通道冷凝器和蒸發(fā)器在制冷量為2.5冷噸的戶式中央空調(diào)與銅管翅片換熱器的對比試驗表明，采用微通道換熱器后換熱器重量減少40.8%，制冷劑充注量減少50.7%,系統(tǒng)性能提高6%以上。

雖然全鋁微通道換熱器在汽車空調(diào)中應用已有20余年，但在制冷空調(diào)中的應用只是近幾年的事，因為它需要解決更多的難題，其中主要是熱泵型機組室外機在寒冷氣候時的結(jié)霜和除霜問題。

圖1 微通道換熱器的結(jié)構(gòu)

全鋁微通道換熱器比傳統(tǒng)的銅管鋁箔換熱器主要有以下優(yōu)點：(1)效率高，(2)制冷劑充灌量少，(3)換熱器只有一種金屬，容易回收利用，(4)腐蝕較慢。

全鋁微通道的傳熱關系是換熱器設計的關鍵技術，已公布的資料尚不夠系統(tǒng)完整，本文將綜述了部分準則關系式。

微通道換熱器在空調(diào)領域的應用，有三方面是值得重視的。一是微通道換熱器的合理結(jié)構(gòu)，二是微通道換熱器的換熱關聯(lián)準則式，三是建立微通道換熱器完善的換熱試驗裝置。

2 結(jié)構(gòu)

通常將直徑在0.001mm到1mm的通道稱為微通道。

微通道換熱器的結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：(1)具有多條并聯(lián)微通道的管板，(2)連接多塊管板進、出端的進、出集管，(3)管板之間的擴展表面，(4)連接進、出集管的制冷劑銅鋁接管。圖1示出了一種空調(diào)用蒸發(fā)器和冷凝器的結(jié)構(gòu)例子。

3 傳熱

微通道的傳熱過程取決于傳熱表面積As，它與微通道直徑D或液力直徑Dh呈線性變化，另一方面，微通道的流量取決于微通道的橫斷面積Ac，它隨D2呈線性變化，因此，傳熱表面積與容積之比As/V隨1/D而變化，當D減小時，As/V增大。對于一個微通道在層流區(qū)，傳熱系數(shù)h與微通道直徑呈反比變化，即h∝1/D。當直徑減小時，傳熱系數(shù)增大，如圖2所示。

圖2 微通道直徑D對傳熱系數(shù)h的影響(在層流區(qū))

3.1 微通道中單相流的流動摩擦系數(shù)f和泊肅葉數(shù)(Po)

摩擦系數(shù)(f)是表面粗糙度的度量，并且影響壓力降(Δp)和傳熱系數(shù)(h)，泊肅葉數(shù)(Po)是在流體流動中代表完全發(fā)展的層流摩擦數(shù)值的度量，對于常規(guī)管道它們具有如下關系：

Po=fRe=C

(1)

其中C是常數(shù)，取決于流道的幾何形狀，對于常規(guī)的層流，Po通常獨立于雷諾數(shù)Re，對于圓管，與達西摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)的乘積保持為定值，即Po=fRe = 64。在傳熱中通常使用摩擦系數(shù)或范寧摩擦系數(shù)(Cf)，而在流動分析中通常使用達西摩擦系數(shù)(f)，它們之間的關系是f=4Cf。

一般地說，在微通道中的f是大于常規(guī)管道中的，但各種文獻中說法不一，有大于、等于或小于常規(guī)中的說法。

在圓管或非圓管的湍流流動中，常規(guī)光滑管著名的布拉休斯準則式如下：

fapperant(fanning)=AReB

fapperant(fanning)稱為表觀范寧摩檫系數(shù)，適用于發(fā)達的和發(fā)展中的湍流流動。x是干度，D是流道直徑。

Yu-tang Chen 得出了實驗的摩擦系數(shù)公式：

式中：

gc—單位換算因子，gc=1.0，kgm/Ns2；

Δp—進、出口間的壓降，Pa；

Dh—微通道的水力直徑，m;

L—流道長度，m;

pf—制冷劑的密度，kg/m3;

Vt—制冷劑的流速，m/s;

K—壓降系數(shù)

Choi等人得出了湍流流動中的摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)之間的關系式：

f=0.140Re-0.192

在各種文獻報告中，f有不同的值，在微通道的f是常規(guī)f的0.5至5倍。

3.2 微通道中單相流的臨界雷諾數(shù)Recr

經(jīng)典的圓形管內(nèi)流動的臨界雷諾數(shù)是Recr=2300。通常當Re>2300時開始從層流向湍流轉(zhuǎn)變。在微通道內(nèi)的流動中，多數(shù)報告是層流開始轉(zhuǎn)變時的Recr<2300,某些報告是當通道的液力直徑減小時，開始轉(zhuǎn)變得早。另外有些報告是轉(zhuǎn)變出現(xiàn)較晚，發(fā)生在Re≥2500.一些作者報告認為在圓形微通道中轉(zhuǎn)變的臨界雷諾數(shù)在23004000。

3.3 微通道中單相流的努賽爾數(shù)(Nu)傳熱特性

在微通道中，努賽爾數(shù)通常是較高的，一些作者認為Nu類似于f、Po、Re 的趨勢。在層流區(qū)，Nu是與雷諾數(shù)的0.3到1.96次方成正比，在湍流區(qū)，一些作者建議采用Dittus-Boelter關系式或Gnielinski準則式按下式估算微通道的Nu數(shù)：

Nu=NuGn(1+F)

(6a)

式中：

D0=1.167mm

式(6a)適用于2300

式(6b)中的摩擦系數(shù)f是由Petukov的湍流摩擦準則數(shù)確定：

f=(0.790×lnRe-1.64)-2

(7)

適用于3×103≤Re≤5×106。

上式中單相流的微通道尺寸是在0.001≤Dh≤4.1mm，微通道中的Nu數(shù)是常規(guī)的0.21到1.6倍。

3.4 微通道中流體流動和傳熱特性

微通道中流體流動和傳熱特性是在層流和湍流區(qū)，受流道表面粗糙度、進口區(qū)、流道曲率等因素的影響。微通道中的過渡流動受流體溫度、流速和流道尺寸的影響。

下列三個公式[2]可以用來計算微通道換熱器內(nèi)制冷劑的換熱系數(shù)：

Nu=[Nu13+0.73+(Nu2-0.7)3+Nu33]1/3

(8c)

式中：

Nu1=3.66

式中：Nu-努賽爾特數(shù)；Re-雷諾數(shù)；Pr-普朗特數(shù)；W-流道寬度；H-流道高度；

3.5 兩相對流換熱與單相對流換熱的比較[3]

Peng和Wang提出了單相換熱準則關系式：

Hihara和Saito 提出了R22/R114混合物在水平管蒸發(fā)時的如下兩相換熱準則式：

其中C1、C2、C3取決于混合制冷劑的混合百分比。

之后，Hihara等又提出了一個R12/R22和R114/R22混合物在水平管的如下實驗準則式：

Kandlikar提出了一個如下準則式：

其中C1、C2、C3、C4、C5是流量的函數(shù)。B0和C0是與蒸發(fā)和對流有關的準則數(shù)，F(xiàn)r是弗勞得數(shù)。

式中：

q*—臨界熱流，W/cm2；

G—質(zhì)量流速，kgm2/s；

i—焓，J/kg；

g—重力加速度，9.81 m/s2；

ρv和ρ1—蒸汽和液體的密度，kg/cm3。

Klimenko使用了21種流體得出了下列準則式：

式中Kv和K1是蒸汽和液體的導熱系數(shù)。

Chatp等提出了在進口有相變時的蒸發(fā)和冷凝的準則式，其冷凝準則式如下：

式中：

式中X是Martinelli參數(shù)，x是干度。

3.6 CO2超臨界區(qū)的傳熱準則式

表1綜合了在CO2超臨界區(qū)的傳熱準則式[4]。

表1 CO2超臨界區(qū)的傳熱準則式

4 測試微通道換熱器的試驗裝置

圖3 試驗微通道換熱器的風洞試驗箱

圖4 風洞試驗箱的測試部分結(jié)構(gòu)

圖3給出了一個獨特的風洞試驗裝置的例子，試驗箱的內(nèi)截面積在X-Y平面上與周圍環(huán)境無熱交換。因而，只有微通道內(nèi)的流體與流過的空氣進行熱交換。為了測量風洞進口的空氣流速，在X-Y平面上設置畢托管與熱電偶。畢托管測出的靜壓與全壓連接到高精度數(shù)字風管校正器，以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和空氣流壓差傳感器。圖4示出了測量部分的示意圖。試驗箱305mm×305mm，Z方向(氣流方向)的長度為610mm。試驗箱具有厚壁并帶有保溫層。

在試驗箱進口A-A’斷面和出口B-B’斷面上開設許多小孔，以便測量空氣流速和溫度型面分布。在試驗箱頂部還開有兩個小孔，以便使用數(shù)字濕度傳感器測量空氣流的濕度。試驗箱頂部有一個較大的門，用以安裝微通道換熱器試件。風洞在沒有阻礙物時空氣最高流速可達到3m/s，在有試樣時最高流速可達到17m/s。風洞內(nèi)設有一個熱交換器，依靠流過的熱水或冷水，對空氣提供補充的加熱量或制冷量。

熱絲風速計被安裝在風洞的上游，用于監(jiān)測和補充測量中心線上的空氣流速。

在進口和出口斷面上安裝了兩個溫度測量網(wǎng)格，以便精確測量通過風洞微通道換熱器的空氣流的溫度，在進口斷面(A-A’)上有等距離的3×3=9個網(wǎng)格點，在出口斷面(B-B’)有5×5=25個網(wǎng)格點。校正的溫度探頭安裝在每個網(wǎng)格點，連接到自動測量的數(shù)據(jù)采集裝置。

一個液體處理系統(tǒng)可以是閉式或開式，泵從水箱吸取液體并泵送到加熱設備和微通道換熱器，熱的液體傳熱給流過微通道換熱器的冷空氣，然后返回水箱或排至大氣。

一個128通道的數(shù)據(jù)采集裝置可以接收電壓、電流和頻率信號，為了獲得設備和測量的同質(zhì)化，所有測量和傳感器選用電壓激勵型，并要求只是電壓輸出信號。除了測量斷面上的濕度傳感器是單獨輸出和處理以外，其他所有輸出信號都聯(lián)接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

5 結(jié)論

全鋁微通道換熱器不僅有優(yōu)良的傳熱性能，而且顯著降低了材料成本，最近已在空調(diào)換熱器上獲得了成功的應用。國內(nèi)已有較成熟的生產(chǎn)技術,使微通道換熱器在空調(diào)器中的規(guī)?；褂贸蔀榭赡?，是一種有發(fā)展前途的新型換熱器。

[1] Mesbah G.khan et al.，A review on Microchannel heat exchanger and potential applications.International Journal of energy research，2011

[2] Anke Halbritter et al.，Experiment determination of heat transfer coefficients in Micro heat exchanger，2002 spring meeting，New Orleans，LA.

[3] R.R.Riehl et al.，Comparison of Heat Transfer Correlations for Single- and Two-Phase Microchannel Flows for Microelectronics Cooling

[4] J.P.Aldana et al.，Critical Heat Flux of CO2in a Microchannel at Elevated Subcritical Pressures，ACRC TR-195，2002